专利名称：碲镉汞材料高温热处理方法
技术领域：
本发明涉及单晶或具有一定结构的均匀多晶材料之后处理，特别是用于降低碲隔汞半导体材料位错密度的高温热处理方法，该方法也适用于碲镉汞材料中掺杂原子电性的激活。
在航天和航空遥感、军用光电子对抗技术、信息技术及工业测温等领域中，红外探测器有着广泛的应用。随着红外焦平面探测技术的发展，大面积碲隔汞(HgCdTe)薄膜材料在制备红外探测器中已得到了大量的使用，如何提高材料的质量来满足红外焦平面器件的要求是该技术领域中的一个关键环节。
大面积碲隔汞薄膜材料是用外延技术在一定的衬底材料上制备而成的，由于衬底与碲镉汞外延层之间的晶格失配，外延材料中会存在位错缺陷，降低失配位错密度一般需要通过高温热处理工艺。另外，目前正在研究和开发的P-on-N结构的红外焦平面器件， 也要求用高温热处理来激活离子注入掺入的砷原子，即将注入的砷原子送入碲原子的晶格位置，使其成受主型掺杂原子。目前，国外在碲镉汞高温热处理均采用高压型的热处理装置，如J.M.Arias，et.at.，J.Vac.Sci.Technol.，B9(3)，1646(1991)，C.C.Wang et.al.，J.Electrochem.Soc.127(8)，175(1980)，和传统的用石英安瓿进行的汞源热处理工艺相比，高压型设备要求提高了很多。
本发明的目的在于通过改进传统的石英安瓿热处理方法，提供了和高压热处理工艺效果同样的一种新型的高温热处理方法。
本发明的目的通过如下技术方案达到本方法先将样品和源分置安瓿两头，样品温度略高于源温3～5℃，其热处理源为含碲汞源并加保护性气体(Forming Gas)，如氩气、氮气或氢气，利用碲源和保护性气体抑制高温下碲镉汞材料自身的绝对蒸发量，在400～500℃温度范围内进行热处理。所说的Hg-Te热处理源含碲的原子比例大于汞对碲的最大溶解度，小于50％；所用保护性气体室温下的压力在4×104～6×104Pa范围，既能为热处理提供足够的汞压，同时又能满足石英安瓿封管的要求。
为阐述方便，先对本发明
如下图1.为传统的碲镉汞石英安瓿汞源热处理装置示意图。图中示出了密封在石英安瓿1中的碲镉汞样品2和汞源3。
图2.为传统纯汞源490℃热处理对碲镉汞材料表面的破坏情况的形貌图。
图3.为用含碲的汞源经490℃热处理后碲镉汞材料表面形貌图，其表面受破坏的程度受到了一定的抑制。
图4.为本发明采用的充保护性气体5和碲源4和汞源3的石英安瓿1碲镉汞高温热处理装置示意图。
图5.为采用本发明后在490℃30分钟热处理前碲镉汞材料表面Nomarski形貌图。
图6.为采用本发明后在490℃30分钟热处理后碲镉汞材料表面Nomarski形貌图，表面完整性得到很好保持。
图7.为采用纯汞加保护性气体经490℃30分钟热处理后碲镉汞材料表面形貌图，仍无法保持表面的完整性。
图8.为采用本发明热处理工艺前碲镉汞材料表面位错坑密度的形貌图。
图9.为采用本发明热处理工艺后碲镉汞材料表面位错坑密度的形貌图，表明有效地较低了材料中的位错密度。
下面结合附图对本发明的方法作进一步阐述和分析。
请参见图1，传统的石英安瓿汞源热处理装置的示意图，源和样品分置安瓿两头，汞源温度略低于样品3～5℃。实验中发现，传统的汞源热处理工艺在400℃以上时，碲镉汞材料的表面将受到严重破坏，理论计算表明，如Yang Jianrong，J.Crystal Growth，126，695(1993)，高温下碲镉汞材料所需的碲原子和镉原子的平衡蒸汽压将提高到10-3Pa量级，表面原子的蒸发束流达到1015/cm2s，传统的汞源热处理工艺一般均忽略了这一效应，未在安瓿中提供相应的碲和镉的蒸汽压，因此，当这种工艺用于高温热处理时，由于碲镉汞材料表面碲和镉原子的不断挥发，导致了碲镉汞材料表面层的结构受到了破坏。请参见图2，在图2显示了表面受到破坏的情况。
根据这一思想，本发明发明人改用含10～20％碲的汞源替代纯汞源，该源在400℃～500℃范围内，由HgTeO固体和与其平衡的Hg-Te液体组成，从原理上讲，只要Hg-Te热处理源含碲的原子比例大于汞对碲的最大溶解度、小于50％效果都是相同的。根据碲镉汞材料的P-T相图，在同一温度下，HgTe的平衡蒸汽压大于Hg1-xCdxTe晶体材料的平衡蒸汽压，采用含碲的汞源后，经490℃热处理后，碲镉汞材料表面受破坏的程度受到了一定的抑制(见图3)，表面缺陷的密度明显有所下降，但仍未完全消除热处理对材料表面的破坏作用。
若进一步改用Hg-Cd-Te源，也可望改善表面质量，但源的选取和配制均比较麻烦，实验中本发明发明人发现在石英安瓿真空封管之前，在安瓿内充入一定量的保护性气体，如氩气、氮气或氢气，可有效地抑制碲镉汞材料表面原子在高温下的蒸发，其原理和高压热处理工艺的原理相同，即通过高压来抑制材料表面的蒸发束流。请参见图4，在图4中本发明发明人在石英安瓿中引入了4×104Pa～6×104Pa的保护性气体，并采用含15％碲的汞源作为热处理的源，结果碲镉汞材料经490℃30分钟热处理后，表面完整性得到了很好地保持(见图5和图6)。但采用纯汞加低压的保护性气体的工艺仍无法保持碲镉汞材料表面的完整性(见图7)。因此，本发明提出采用含碲汞源加保护性气体的安瓿热处理方法完成了对碲镉汞材料的高温热处理。
本发明发明人试用上述方法对在GaAs衬底上用分子束外延生长的Hg1-xCdxTe材料降低位错的效果进行了试验，结果如下表所示热处理条件 位错密度(cm-2)样品编号 组分温度℃ 时间热处理前 热处理后(分)gamct039 0.23490℃30 2×1073×106gamct060 0.228 490℃20 1.5×1072×106结果表明本发明可有效地降低碲镉汞材料中的位错密度。图8和图9示出了热处理前后材料表面位错坑密度对比的情况。
本发明的有益效果在于提供了含碲-汞源加保护性气体的安瓿热处理方法，该方法可以避免传统的汞源热处理在高温下对碲镉汞材料表面的破坏，用该方法对碲镉汞出来进行高温热处理后，碲镉汞材料的位错下降了将近一个数量级，同时，材料表面的完整性得到很好的保持。HgCdTe砷掺杂后，需要高温热处理将原占据在汞格点上V族的砷原子调整到VI族碲原子格点上，掺入的砷原子才能形成P型掺杂原子，其高温热处理工艺和降位错的工艺是相同的，如S.H.Shin，et.at.，J.Electronic Materials，22(8)，1039(1993)。因此，本方法也同样适合于碲镉汞材料中掺杂原子在高温下的电性激活。
权利要求
1.一种碲镉汞材料高温热处理方法，样品和源分置安瓿两头，样品温度略高于源的温度3～5℃，其特征在于其热处理源为含碲汞源，安瓿内加保护性气体，利用碲源和氩气、氮气或氢气抑制高温下碲镉汞材料自身原子的绝对蒸发量，在400℃～500℃温度范围内进行热处理。
2.按权利要求1所规定的碲镉汞材料高温热处理方法，其特征在于所用Hg-Te热处理源含碲的原子比例在大于汞对碲的最大溶解度，小于50％范围内。
3.按权利要求1所规定的碲镉汞材料高温热处理方法，其特征在于所用保护性气体室温下的压力在4×104～6×104Pa范围内。
全文摘要
一种碲镉汞材料高温热处理方法,热处理在石英安瓿中完成,热处理源为含碲汞源,安瓿内加保护性气体,利用碲源在热处理系统中提供的碲分压和保护性气体有效地抑制了碲镉汞材料表面原子的绝对蒸发量,用该方法对碲镉汞材料进行高温热处理后,碲镉汞材料的位错下降了将近一个数量级,同时,材料表面形貌的完整性得到了很好的保持。该方法也适合于碲镉汞材料中掺杂原子在高温下的电性激活。
文档编号C30B33/02GK1195038SQ9710666
公开日1998年10月7日 申请日期1997年10月17日 优先权日1997年10月17日
发明者杨建荣, 陈新强, 于梅芳, 方维政, 何力 申请人:中国科学院上海技术物理研究所